自2010年基于sCMOS圖像傳感器的科研級相機出現(xiàn)以來，這項技術(shù)就對顯微鏡應(yīng)用的許多新技術(shù)和方法產(chǎn)生了巨大的影響。所有基于相機實現(xiàn)的超分辨和納米級顯微技術(shù)的方法主要利用了sCMOS相機的出色的低讀出噪聲、高量子效率和高幀率的優(yōu)秀組合，再搭配其實用的6.5μm大小的像素，使sCMOS更加完美地適合于許多顯微鏡應(yīng)用。

sCMOS 圖像傳感器技術(shù)在不斷進(jìn)步

在CMOS圖像傳感器常用制造技術(shù)上的改進(jìn)，包括更高的集成密度、埋溝技術(shù)和晶片規(guī)模的backside thinning，并結(jié)合使用采用新技術(shù)和基于以前CCD技術(shù)的新想法，CMOS新型像素結(jié)構(gòu)得以產(chǎn)生，這一切推動了sCMOS圖像傳感器技術(shù)的巨大進(jìn)步。 首先要提到的是，通過圖像傳感器制造工藝上的改進(jìn)，量子效率有了10% 的跨越提升。自此，sCMOS圖像傳感器, 像BAE Fairchild CIS2020A和GPixel GSESE2020E（見表1）能夠提供大于80%的峰值的量子效率，這樣的數(shù)值是以往前照明圖像傳感器不可企及的。此外，晶圓尺度的backside thinning技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟并且正在成為一個標(biāo)準(zhǔn)化的工藝，這催化了首個可使用的backside thinning的sCMOS圖像傳感器，如 GPixel的GSENSE400 BSI和GSENSE2020BSI， 它們開始給市場上剩余的EMCCD相機造成一定麻煩，因為它們可在低讀出噪聲，高分辨率和高幀速下，提供了相同的＞90%峰值量子效率，只是沒有增益。EMCCD相機的優(yōu)點在于其內(nèi)置的乘法增益使得它能夠?qū)蝹€光子進(jìn)行成像。但在大多數(shù)成像應(yīng)用中，即使在單分子熒光成像中也存在多個光子，信號的電平大小已不是的唯一的決定性的標(biāo)準(zhǔn)。

sCMOS圖像傳感器特性實際參數(shù)表

由于讀出噪聲變得很小，大多數(shù)現(xiàn)有的sCMOS相機系統(tǒng)提供大約一個電子的噪聲，但還有另一個參數(shù)也是我們的焦點，即噪聲分布。以前總是假定噪聲分布服從高斯分布，但這對第一代sCMOS圖像傳感器來說并不是事實。因此，許多科學(xué)家對sCMOS相機的噪聲特點進(jìn)行了研究，并就噪聲行為對他們的特殊應(yīng)用的影響發(fā)表了研究結(jié)果。由于之前提到的制造技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步（例如埋溝技術(shù)的應(yīng)用）以及創(chuàng)新的像素結(jié)構(gòu)，使噪聲情況得到了進(jìn)一步改善。圖1的直方圖展示了圖像傳感器制造商GPixel公司測量的芯片噪聲差異，說明了背照式圖像傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，盡管確實暗電流升高，卻帶來了更理想的也更低的噪聲表現(xiàn)。

sCMOS圖像傳感器GESENSE2020e （前照式）和GESENSE2020BSI（背照式）在圖像傳感器溫度35°C時的噪聲直方圖對比（數(shù)據(jù)來源：GPixel公司，長春，中國）

上面的噪聲分布的測量是在35℃溫度下進(jìn)行的，而測試系統(tǒng)則放置在室溫條件下。GSESE2020E和GSENSE2020BSI的中值讀出噪聲值分別為2.1 [e-]和1.76 [e-]，這就帶來了在沒有圖像傳感器的主動冷卻的情況下制作sCMOS相機的想法。如今，在顯微鏡下應(yīng)用的所有sCMOS相機都是主動冷卻型sCMOS相機，因為可以獲得低讀出噪聲值，能夠在幾秒鐘的曝光時間范圍內(nèi)進(jìn)行成像，并保持相當(dāng)?shù)偷暮蜏囟认嚓P(guān)的暗電流值。但是，許多相關(guān)的新的顯微技術(shù)方法，無論是localization microscopy技術(shù)如（PALM, STORM, dSTORM, GSDIM, DNA-PAINT），或是結(jié)構(gòu)照明顯微技術(shù)，或是光片熒光顯微技術(shù)卻僅依賴于高幀速率和較短的曝光時間。

未完待續(xù)…